مواد معدنی زیرکونیمی (2)

 

مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون
 
 
 

بوته ها

در مقایسه با کوره ها، بوته ها، دارای اندازه ی کوچکتری هستند. از این بوته ها، در تولید و ذوب مقادیر اندک از محصولات مختلف، استفاده می شود. در واقع این بوته ها، به طور مکرر، تحت فرایند حرارت دهی و سرد شدن، قرار می گیرند. در واقع این نیاز است تا این بوته ها، مقاومت خوبی در برابر شوک حرارتی داشته باشند. در واقع تعویض یک بوته، راحت تر از ترمیم آسترکاری کوره می باشد.
بوته های زیرکونیایی، برای ذوب پلاتین و آلیاژهای پلاتین- رودیم، استفاده می شود. دمای ذوب شدن پلاتین و رودیم به ترتیب 1773 و 1996 درجه ی سانتیگراد است. زیرکونیا در این دما ذوب نمی شود و از این رو، می توان برای ذوب این دو فلز، از این بوته ها، استفاده کرد. با افزایش تافنس زیرکونیا با استفاده از افزودن ایتریا، اکسید منیزیم و اکسید کلسیم به این ماده، می توان بوته هایی تولید کرد که مقاومت بالایی در برابر شوک حرارتی دارند. علاوه بر این، زیرکونیا، خنثی است و بوسیله ی مذاب فلزی، تر نمی شود.
مشابه کوره ها، سطح داخلی بوته ها نیز برخی اوقات با استفاده از یک ماده ی سیمانی حاوی زیرکونیا، پوشش کاری می شود.

سرامیک ها

در صنعت سرامیک، زیرکونیا عمدتا برای تولید برخی از محصولات خاص، استفاده می شود که در کاربردهای دما بالا، کاربرد دارند. همچنین از زیرکونیا در تولید محصولات الکتروسرامیکی و لعاب ها نیز استفاده می شود.
سرامیک های دما بالا: ترکیب منحصربفرد دمای ذوب بالا و رسانایی گرمایی، به همراه ویژگی خنثی بودن و سختی بالای زیرکونیا، موجب می شود تا این ماده برای تولید انواع بدنه های آزمایشگاهی مقاوم در برابر عوامل شیمیایی، مناسب باشد. رسانایی حرارتی این محصولات موجب می شود تا از سوختن این محصولات، جلوگیری شود. محصولات بر پایه ی زیرکونیا برای تولید پوشش های آدیاباتیک بر روی موتورهای دیزل نیز استفاده می شود. از زیرکونیا در ساخت سنسورهای سرامیکی، پره ها و سایر محصولات نیز استفاده می شود.
الکتروسرامیک ها: این محصولات شامل پرسلان ها یا چینی هایی می شود که در شمع اتومبیل، پیل های سوختی و ... استفاده می شوند. دمای ذوب بالا موجب می شود تا مقاومت این ماده در برابر الکتریسیته بالا باشد و همچنین این مواد در برابر دماهایی تا 1500 درجه ی سانتیگراد، مقاوم باشند. مواد قلیایی (مواد حاوی سدیم و پتاسیم)، جزء ناخالصی های نامطلوب این ماده محسوب می شوند زیرا موجب می شوند تا این ماده رسانایی الکتریکی پیدا کند.
لعاب های سرامیکی: هدف از لعاب کاری بر روی محصولات سرامیکی، در واقع ایجاد یک پوشش چسبنده بر روی سطح بدنه ی سرامیکی می باشد. این پوشش ها موجب می شود تا عیوبی همچون سوراخ و حباب های سطح بدنه ی سرامیکی، پوشیده شود. لعاب های اولیه دارای مواد اولیه ای مشابه با بدنه های سرامیکی می باشند، تنها تفاوت میزان کوارتز و فلدسپار موجود در لعاب ها، می باشد. مواد اولیه ی لعاب با همدیگر مخلوط می شوند و به همراه آب، آسیاب می شوند. این مخلوط لعاب نامیده می شود. بدنه های خام قالب گیری شده در داخل لعاب وارد می شوند و در دمایی در حدود 1400 درجه ی سانتیگراد، پخت می شوند. لعاب نه تنها باید ذوب شود، بلکه همچنین باید به صورت یکنواخت بر روی سطح، پخش شود. لعاب ها می توانند به صورت خام و یا فریت شده، مصرف شوند. لعاب های فریت شده، پیش از اعمال بر روی بدنه ی سرامیکی، پخت می شوند. این مسئله موجب بروز تغییرات شیمیایی، در این لعاب ها می شود. زیرکن به لعاب افزوده می شود تا بدین صورت، سختی سطحی افزایش یابد، دانسیته ی لعاب افزایش یافته، دیرگدازی لعاب افزایش یابد، و مقاومت به شیمیایی و میزان عایق کاری الکتریکی لعاب، افزایش یابد.
عامل اپک کننده: یک ماده ی اپک کننده، حاوی ذراتی است که موجب پخش شدن و انعکاس پرتوهای نور، می شوند. این ماده موجب بروز اثرات غیر شفاف در ماده می شود. توان پوششی یک ماده ی اپک کننده، به این دو مورد وابسته است: 1) تفاوت میان ضریب شکست لعاب زیر و ماده ی اپک کننده. 2) اندازه ی ذره ی اپک کننده. ضریب شکست بیشتر لعاب ها، در حدود 1.5 است اما ضریب شکست برخی مواد مانند دی اکسید تیتانیم و SbO_2 که به عنوان اپک کننده استفاده می شوند، در حدود 2.55 تا 2.25 است. ضریب شکست مربوط به اکسید قلع، زیرکونیا و زیرکن، به ترتیب، 2.04، 2.35 و 2.0 است. از بین این مواد، اکسید قلع و زیرکنیا گران هستند ولی زیرکن یک ماده ی ارزان قیمت است که می توان از آنها در تولید لعاب، استفاده کرد.
سرامیک های آلومینایی تافنس یافته با زیرکونیا (ZTA): به منظور افزایش تافنس سرامیک های آلومینایی، زیرکونیا به زمینه ی آلومینایی اضافه می شود تا بدین صورت، تافنس آلومینا، بهبود یابد. از این نوع کامپوزیت ها، در تولید ابزارهای برش، اجزای مقاوم در برابر سایش، پوشش محافظ رادار راکت ها، مفصل گوی و کاسه ای ران، امپلنت های گوش و دندان و ... استفاده می شود.
بوته ها: محصولات سرامیکی بر پایه ی زیرکن، برای تولید بوته های کوچکی استفاده می شود که برای ذوب طلا و نقره، استفاده می شود.
دیرگدازهای آلومینا- زیرکونیا- سیلیس: این دیرگدازها، حاوی 50 % آلومینا و بیش از 40 % زیرکونیا و سیلیس است. این دیرگدازها، به صورت آجر ساخته شده و در آسترکاری کوره های شیشه، مورد استفاده قرار می گیرند.

لعاب های فلزی

از لحاظ شیمیایی، لعاب فلزی در واقع یک ترکیب پیچیده از سیلیکات ها، بورات ها و فلوریدهای برخی از فلزات مانند سدیم، پتاسیم، آلومینیوم و فلزات دیگر است. این ماده به صورت پوشش بر روی سطوح فلزی ایجاد می شود و از آن به منظور محافظت در برابر دما و خوردگی، استفاده می شود. این ماده با مخلوط کردن بوراکس، کوارتز، فلدسپار، فلئورسپار، کربنات سدیم، سدیم نیترات، اکسیدهای کبالت، منیزیم و نیکل، و یک ماده ی اپک کننده، تولید می شود. برای پوشش دهی فلزات، دو یا سه پوشش، بر روی سطح اعمال می شود. در مواقعی که مقاومت شیمیایی، سختی، دانسیته ی بالا، دیرگدازی بالا و رسانایی الکتریکی پایین مد نظر باشد، از زیرکن به عنوان اپک کننده، در این لعاب ها، استفاده می شود.

ریخته گری

در صنعت ریخته گری، زیرکن به منظور پوشش سطح قالب مورد استفاده قرار می گیرد. در واقع پوشش کاری سطح قالب موجب افزایش استحکام، عدم ترشوندگی، مقاومت در برابر دماهای بالا و جلوگیری از نفوذ فلز مذاب می شود. به هر حال، در موارد خاص، یک مخلوط از زیرکن و کرومیت در این کاربرد، استفاده می شود تا بدین صورت، قابلیت سرمایش، افزایش یابد و هزینه های متعاقب، کاسته شود.

مواد شیمیایی

مهم ترین مواد شیمیایی مشتق شده از زیرکن و بادلیت، عبارتند از:
زیرکونیم بورید: این ماده مقاومترین ماده در برابر حرارت می باشد. این ماده می تواند در برابر دماهایی در حدود 3300 درجه ی سانتیگراد، مقاومت کند و استحکام برشی آن در دمای 1550 درجه ی سانتیگراد، برابر با 5275 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع است. اما در این دما، این ماده به سرعت اکسید می شود و از این رو، این ماده با برخی عناصر خنثی، پوشش کاری می شود.
زیرکونیم فسفات: این ماده در داروسازی کاربرد دارد. مثلا در تولید داروهای زخم معده
زیرکونیم کربنات: از این ماده در تولید پماد و عوامل ضد عرق، استفاده می شود.

پولیش کاری با زیرکن

سختی زیرکن در حدود 7.5 می باشد. از این رو، این ماده برای تولید چرخ های ساینده مورد استفاده برای پولیش کاری شیشه های اپتیکی، مناسب می باشد.

ساینده های زیرکونیا- آلومینا

اگر یک مخلوط حاوی 25-40 % ماسه ی زیرکنی و بقیه آلومینای بایر خالص، مخلوط شود و به همراه هم ذوب شود و سپس ماده ی حاصله، به سرعت سرد شود، محلول جامد از زیرکونیا و آلومینا ایجاد می شود. در واقع محصول نهایی، یک ساختار دندریتی دارد. این ماده ی ساینده، می تواند برای تیز کردن تیغه ها، استفاده شود. زیرکونیا، موجب افزایش تافنس آلومینا و افزایش سختی آن می شود.

سنگ های زینتی

سنگ های زینتی می تواند به صورت قیمتی و نیمه قیمتی باشند. معیار این مسئله، عبارتند از:
نایاب بودن: بر اساس قانون عرضه و تقاضا، هر چه جنسی نایاب تر باشد، گران قیمت تر است.
دوام: ترکیبی از سختی، تافنس بالا و مقاومت در برابر اسید، موجب می شود تا این سنگ ها، دوام بالایی داشته باشند.
رنگ و ویژگی های نوری: رنگ، درخشش، پراکنده سازی نوری، جزء معیارهای اصلی مربوط به زیبایی است.
وضوح و شفافیت: حباب های ریز، ترک ها و سایر عیوب ساختاری، موجب می شود تا میزان وضوح و یا شفافیت یک سنگ زینتی، کاهش یابد.
زیرکن به دلیل داشتن سختی برابر با 7.5، جرء سنگ های زینتی محسوب می شود اما وقتی این ماده خالص است، ضریب شکستی بالا دارد و از این رو، ترانسپارنت تا ترانسلوسنت است. وزن مخصوص این ماده نیز 4.86 است، از این رو نسبت ارزش به حجم این ماده، بالاست. با توجه به این معیاها، گونه هایی از این ماده گران قیمت تر است که رنگ های خاصی داشته باشند. انواع مختلف سنگ های زینتی زیرکنی، عبارتند از:
Jargon: این سنگ زینتی، بی رنگ و یا دودی رنگ می باشد. و در سریلانکا یافت می شود. این ماده، قدیمی ترین سنگ زینتی زیرکنی می باشد که بشر مورد استفاده قرار داده است.
سنبل (Hyacynth): این سنگ زینتی، نارنجی، قرمز و یا قهوه ای است و یک زیرکن شفاف می باشد.
استارلیت: این سنگ زینتی، زیرکن طبیعی است که دارای رنگ آبی است و به دلیل وجود ناخالصی کبالت نیترات، به رنگ آبی در آمده است.

الماس مصنوعی

الماس مصنوعی شامل عناصری است که به صورت طبیعی یافت می شوند اما در واقع به صورتی ترکیب شده اند که در طبیعت یافت نمی شوند. متداول ترین الماس مصنوعی مورد استفاده ، الماس آمریکایی است که یک زیرکونیای کیوبیک است. این ماده از زیرکن تولید می شود. زیرکونیا در دمای معمولی، یک ماده ی مونوکلینیک است. این ماده در دماهای بالاتر از 1800 درجه، به فاز تتراگونال تبدیل می شود. در هنگام سرد کردن، دوباره این ماده به فاز مونوکلینیک تبدیل می شود. این ماده در دماهای بالاتر از 2700 درجه ی سانتیگراد، ذوب می شود و با بوته های پلاتینی و ایریدیومی، واکنش می دهد. با استفاده از برخی فرایندهای کنترل شده، زیرکونیا ذوب می شود. این کار در یک سیستم ذوب skull انجام می شود. در واقع این سیستم، یک سیستم مسی آبگرد است. آب از میان دیواره های حرکت می کند و موجب خنک شدن دیواره های داخلی می شود. وقتی این بخش با پودر مواد مورد نیاز پر شود و بوسیله ی تابش رادیویی، حرارت داده شود، پودر موجود ذوب می شود. به دلیل سرد شدن دیواره های این بخش با آب، مواد دیواره ذوب نمی شود و با مواد محتوی در کوره، واکنش نمی دهد. وقتی منبع حرارتی در این سیستم، قطع شود و اجازه داده شود تا سیستم خنک شود، جوانه زنی و رشد در کل ساختار رخ می دهد.

عایق های الکتریکی

تیتانیم، روتایل (اکسید تیتانیم) و تیتانات ها، از جمله رساناهای ضعیف الکتریسته محسوب می شوند و دارای استحکام دی الکتریک بالایی است. تیتانیم دارای رسانایی الکتریکی 1-3 % IACS است. ثابت دی الکتریک رتایل، در حدود 12 است و از این رو، این ماده رسانای ضعیف الکتریسیته محسوب می شود. این ماده قابلیت پایدارسازی قوس الکتریکی را دارد. منیزیم دارای رسانایی الکتریکی ضعیفی است و میزان این رسانایی، 12.3 تا 38.6 % IACS است. این مقیاس رسانایی، برای زیرکونیا در حدود 3.4-4.2 % IACS است. وقتی منیزیم، تینانیم و زیرکونیم پخته شوند، مخلوطی از منیزیت، روتایل و زیرکونیا تولید می شود که یک ماده ی عایق الکتریکی واقعی است. از این ماده به عنوان کندانسور در تولید منیزیم- زیرکونیم ارتوتیتانات ها، استفاده می شود.

قدمت شناسی در جغرافیا

هم زیرکن و هم بادلیت در شکل اصلی خود در سنگ ها، بوسیله ی اورانیوم و سرب، شناخته می شوند. در واقع این عناصر، در داخل ساختار این مواد به دام افتاده اند و در واقع این اورانیوم، یک مورد کلیدی در استفاده از این مینرال ها در باستان شناسی است. هر دوی این مواد سخت هستند و در برابر خوردگی و سایش، مقاوم هستند. از این رو، در تمام سنگ ها یافت می شوند. اما زیرکن، نسبتاً پایداری بیشتری نسبت به بادلیت دارد و از این رو، در سنگ های آذرین و دگرگون، یافت می شود. بنابراین، زیرکن برای تعیین عمر هر دو نوع سنگ های آذرین و دگرگون، مناسب هستند. این در حالی است که بادلیت تنها برای تخمین عمر سنگ های آذرین، مناسب می باشد. قدیمی ترین مواد موجود در زمین، در واقع ذرات بسیار ریز از زیرکن است که در سنگ های gneissic ناحیه ی Jack در استرالیا، یافت شده اند. در واقع عمر این سنگ ها، به 3.7 میلیارد سال پیش، باز می گردد یعنی این مواد حدود 7 میلیون سال بعد از کریستالیزاسیون زیرکن، تشکیل شده اند. امروزه، روش های پروب آهنی خاصی برای آنالیز نواحی رشد میکروکریستال های زیرکنی، توسعه یافته است.

پیل سوختی

پیل سوختی وسیله ای است که موجب تولید مستقیم انرژی الکتریسیته از طریق واکنش الکتروشیمیایی می شود. اصول این پیل ها، در سال 1839، بوسیله ی William Grove تدوین شده است. این فرد فرضیه سازی کرد که اگر آب بتواند با اعمال الکتریسیته، به هیدروژن و اکسیژن تبدیل شود، عملیات معکوس، موجب تشکیل الکتریسیته می شود. او این فرضیه را بررسی کرد و در نهایت صحت آن را به اثبات رسانید. در سال 1889، Ludwig Mond و Charles Langer اولین مدل تجربی از این وسیله را ساخته و اسم آن را پیل سوختی نامیدند.
یک پیل سوختی در واقع شامل 4 جزء اصلی است که آند (هیدروژن)، کاتد (اکسیژن) الکترولیت و کاتالیست، نام دارند. کاتالیست، در واقع موجب یونیزه شدن اتم های هیدروژن و تبدیل آنها به یون های بار دار و الکترون های با بار منفی می شود. این الکترون ها، از طریق مدار خارجی، به آند می رسد. در آند، اکسیژن موجود ، یونیزه می شود. در این حالت، جریان الکتریکی در داخل مدار، برقرار می شود. در این حال، پروتن های تشکیل شده از فرایند خروج الکترون از هیدروژن، وارد الکترولیت می شود و به آند می رسند. تمام یون های اکسیژن و هیدروژن، به آب تبدیل می شوند. از آنجایی که هیدروژن و اکسیژن به طور پیوسته به پیل سوختی وارد می شود، پیل سوختی متوقف نمی شود. از این رو، الکترولیت، یک مورد کلیدی در این پیل هاست و عملکرد آن عبور انتخابی یون اکسیژن یا هیدروژن از میان خود است. بسته به نوع مواد مورد استفاده در تولید الکترولیت، 6 نوع پیل سوختی ساخته شده است:
پیل سوختی اکسید جامد (SOFC)
پیل سوختی با غشاء پلیمری تبادل گر یونی (PEMFC)
پیل سوختی قلیایی (AFC)
پیل سوختی اسید فسفریکی (PAFC)
پیل سوختی متانول مستقیم (DMFC)
پیل سوختی کربنات مذاب (MCFC)
در پیل سوختی اکسید جامد، از زیرکونیا به عنوان لایه ی الکترولیتی، استفاده می شود. به دلیل رسانایی یون اکسیژن در این ماده، این ماده می تواند به سهولت یون های اکسیژن را از میان خود، انتقال دهد. بازده پیل سوختی اکسید جامد، می تواند تا 60 % نیز باشد و میزان جریان خروجی این ماده می تواند تا 100 Kw نیز برسد. برای تقویت برق تولیدی بوسیله ی این پیل، چندین عدد از این پیل ها، به هم متصل می شوند.

زیرکونیای فلزی

آلیاژها
آلیاژ های مهم زیرکنیم، عبارتند از:
فرو- زیرکونیم
فرو-سیلکو- زیرکونیم
آلیاژ آلومینیم- زیرکونیم
آلیاژ منیزیم- زیرکونیم- سریوم
آلیاژ مس- زیرکونیم
آلیاژ طلا- زیرکنیم
آلیاژ نیکل- کروم- زیرکونیم
آلیاژ زیرکونیم- نیکل
آلیاژ زیرکونیم- روی/ نیوبیوم
زیرکا الوی

رآکتورهای هسته ای

زیرکونیم برای ساخت المان های سوخت در رآکتور هسته ای استفاده می شود. المان های سوخت یک سری محفظه یا زمینه است که اورانیوم در داخل آن قرار دارد. در مورد سوخت اورانیم، حرارت ایجاد شده به دلیل شکافت در سوخت و جریان یافتن این حرارت به خارج، بسیار مهم می باشد. علاوه بر این، تابش ایجاد شده از شکافت سوخت و اکسیداسیون سوخت، در داخل این محفظه انجام می شود و از این رو، عملکرد این بخش، بسیار مهم می باشد.
زیرکا الوی (آلیاژ زیرکونیم، آهن، کروم و قلع) برای تولید مواد مورد استفاده در ساخت سوخت هسته ای، استفاده می شود.

جراحی

زیرکونیم می تواند با تانتالیم مورد استفاده در پیچ های پزشکی، سیم های پزشکی و سایر محصولات مربوطه، جایگزین شود. در این کاربرد، باید از زیرکونیم با خلوص بالا و بدون مواد سمی، استفاده کرد.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد. منبع مقاله :
Uses of Industrial Minerals, Rocks and Freshwater/ Kaulir Kisor Chatterjee